極其煩瑣的化石DNA研究 能讓古DNA"重獲生命"

有一天你可能不是在科幻影片《侏羅紀公園》裏,而是在現實中,看見活生生的恐龍、猛犸象……今年,科學家利用新技術從化石中成功提取出古生物的DNA,這使追溯生物演化的全過程、克隆古生物等成為可能?

這一發現被《科學》雜誌列為“2006年度世界10大科技進展”之一。

技術突破
化石DNA研究極其煩瑣
保存在化石和考古材料中的古DNA,由於受水解和氧化等降解因子的影響,總是以高度片段化、小分子量的形式存在於古代樣品中。

“化石DNA的保存好壞與其所在環境的溫度、pH值、濕度、液體的離子濃度及埋藏時間等因素有關,一般來說乾燥、低溫的環境下可以保存較好的化石DNA。”中國地質大學(武漢)地球科學學院教授賴旭龍說。

對於化石和考古材料中的古DNA研究,同現代動植物的DNA研究一樣,一般需經過取樣、提取、擴增和測序等步驟,儘管古DNA研究的實驗儀器及實驗程式和現代DNA基本一致,但是由於古代生物中保存的DNA經受了不同程度的損傷降解、污染等,這就要求有非常嚴謹的實驗條件和經過多方面的驗證才可以得出可靠的實驗結果。

“古DNA的研究相對現在動植物的DNA研究來說要煩瑣很多。”賴旭龍說。

化石DNA研究取決於技術
“化石DNA研究除要選用合適的研究材料外,還與實驗技術有很大的關係。”賴旭龍說。

他介紹,化石DNA的研究過程自20世紀90年代以來就沒有大的變化:即在提取實驗後,進行多次常規PCR反應及分子克隆,經測序後獲得一系列古DNA片段,然後拼合成一條完整的序列。

“每次PCR反應就要消耗掉提取出來的數量很少的古DNA模板,當需要作更多的PCR反應時,只好再進行古DNA的提取以獲得更多的模板。這種方法既消耗許多樣品和試劑,同時也很耗時。”賴旭龍說。

新技術被業界肯定
2006年“從化石中提取DNA”被評為2006年度世界10大科技進展,主要成就在於歐美國家幾個實驗室利用一些新技術分別從尼安德特人和猛犸象獲得了古基因組。其中美國和德國的幾個實驗室利用宏基因組學和高通量直接測的方法從未經過擴增的古DNA提取物中獲得了65萬個鹼基對和100萬個鹼基對長度的尼安德特人的古DNA序列。

“這一方法不僅可以避免在PCR擴增中容易造成的核苷錯配,還為已滅絕生物的基因組研究提供新的方法。另外,由加拿大、美國及德國科學家組成的一個研究小組,利用美國生命科學公司發明的一種快速簡單的測序方法從猛犸象化石中獲得了1300萬鹼基對的古DNA序列。”賴旭龍說。

“所以,尼安德特人DNA能夠再次被評為2006年度世界10大科技進展,更多的是對古DNA實驗技術創新的肯定。”

重大意義
研究生物演化須了解古生命
地球上的生命已經有30多億年的歷史,目前我們所能直接觀察到的現代生物世界,相對漫長的生命演化史來說只是一個短暫的瞬間。要了解生物演化的全過程,必須了解古代生命的發展。

“對於古代生物的了解,我們主要基於對保存在地層中化石的研究。在人們不能從化石中提取DNA時,這種研究主要是基於化石形態學的研究。”賴旭龍介紹。

古DNA能描繪生物譜係
古DNA作為在化石和考古材料中所能獲取的唯一的古代生物遺傳資訊,目前已成為探索歷史時期生物系統分類、演化和譜係發生的重要手段。

賴旭龍介紹,已有研究證明從化石和考古材料中獲得的DNA已經在古代和現代生物的譜係關係研究,瀕危物種的保護,現代人的起源、遷移和演化,動植物的家養和馴化過程及早期農業的發展,遺傳多樣性的變化和古病理學研究等方面發揮獨特的作用,並且已對生物學、古生物學、地質學、考古學和人類學等學科產生重要影響。

前景預測
“新的古DNA技術的出現,無疑將為該研究領域帶來革命性變化,使我們從化石和古代生物中更容易獲得更多的古代生物的遺傳學資訊。預計將來可能的發展將主要體現在以下幾個方面。”賴旭龍給記者做了預測。

預測一:用於古生物群體研究
2006年的尼安德特人和猛犸象的研究成果,主要是對單一化石標本的DNA研究,這些成果儘管也探討了演化譜係的問題,但更偏向於古DNA技術的探索。一旦該技術被證實是可靠的,將來會大量的用在同一物種在不同時間序列上不同個體的研究,從而可以從歷史群體遺傳學角度探討居群內基因多樣性隨時間變化的情況。這類研究對於瀕危物種的保護尤其重要。

預測二:從多種途徑獲取古DNA
將來獲取古DNA的材料將不會只是化石和古代生物的殘骸,有了新的技術,人們還可以從凍土、湖泊和海洋及洞穴等沉積物、冰芯等載體中獲取古DNA,從而擴大古DNA研究對象。

預測三:古DNA保存年限延長
20世紀90年代晚期以來,國際古DNA學界普遍認為古DNA的保存理論年限只有10萬年,2003年丹麥學者Willerslev通過對西伯利亞凍土中古DNA的研究,認為在有利古DNA保存的凍土地帶古DNA可以保存數十萬年。隨著新的技術的出現,人們很可能從更古老的材料中獲得化石DNA。

預測四:與生物小分子研究相結合
隨著從不同地質載體中獲取古DNA的增多,有可能可以對同一載體中保存的其他生物小分子進行綜合研究。以類脂為例,作為生物小分子的類脂化合物比DNA更容易保存在地質體中,且保存的年限也比DNA長,已有研究證明類脂化合物是很好的環境和氣候變化的指標,如兩者結合研究就可以較好地反映古代生物隨環境和氣候的變化所發生的演化趨勢。

專家觀點
賴旭龍:中國地質大學(武漢)地球科學學院教授

中國最先從古生物中提取DNA
從某種意義上來說,中國應該是世界上第一個試圖從古代生物中獲取DNA的國家,1980年當時的湖南醫學院的專家從約2000年前的長沙馬王堆漢代女屍中取出古核酸,該成果被德國哥廷根大學于1994年主編的第一本有關古代DNA的專著———《古代DNA》所提及,遺憾的是湖南醫學院的專家們當時沒有對馬王堆漢代女屍古DNA進行序列測定。目前國際古DNA學界多認為美國加利福尼亞大學伯克利分校Higuchi等於1984年成功地從博物館保存的已絕滅100多年前四足動物斑驢的皮膚上提取並克隆的線粒體DNA為世界上第一例古DNA研究。

與國外相比尚有差距
20世紀90年代早期國際上掀起古DNA研究熱潮,中國同行開始重新介入該研究領域。1995年中科院南京地質古生物研究所籌建了中國第一家專門的古DNA實驗室。迄今為止,以中國學者為主除報道了華北地區猛犸象的古DNA、青藏高原多年凍土中的古代眼子菜以及河南省古代綿羊殘骸中的古DNA序列外,其他研究主要集中在中國不同年代和不同地區的古人類研究方面。這些研究成果大部分均有待於得到可重復性實驗的證實,在國際上的影響不是很大。坦率地說,目前中國古DNA研究與國際先進水準尚有較大差距。

不過,目前古DNA的研究標準已經確立,加上2006年度用於古DNA研究的一些新技術的誕生,只要立足於中國特有的化石和考古材料,相信在不久的將來中國科學家有望在古DNA研究領域取得舉世矚目的研究成果。

■新聞緣起
二○○六年年末,美國《科學》雜誌公佈當年度的十大科學進展。這是對全球科學研究的年終盤點,“共用科學”欄目將從十大科學進展中選取“化石中提取DNA”、“冰原正在不斷消失”等作深入報道,讓讀者與我們一起共同關注科學發展前沿。

■相關鏈結
美科學家欲從霸王龍化石裏提取DNA
電影《侏羅紀公園》講述了科學家用DNA複製恐龍的故事,這個令人驚嘆的想法也許在未來會成為現實。日前,美國科學家從一具7000萬年前的霸王龍化石中發現了軟組織,並看見血管和細胞結構。

這具霸王龍化石于2003年在美國蒙大納州被發現,且保存較好。科學家在對化石的一節腿骨進行研究後,發現在骨腔裏存在罕見的化石礦物質沉積體。在經過脫礦物質處理後,剩下的是柔軟、透明且富有彈性的赭色軟組織,在顯微鏡下甚至可以看到血管和細胞結構。瑪麗·施韋策博士領導的美國北卡羅來納州大學研究小組稱:“這真是一件令人震驚的事,直到我們又重復了17次實驗,才相信這是真的。”